圆柱体弹丸超高速撞击薄板的碎片云特征研究
进入20世纪以来，人类太空活动日益频繁，所产生的空间碎片也骤然增加，其超高速撞击对航天器在轨安全构成的威胁也越发严重。空间碎片超高速撞击航天器防护结构后，会形成大量的碎片云，易对航天器产生二次伤害。因此，对超高速撞击所形成碎片云进行研究将极为必要。迄今，对碎片云的研究主要是以球形弹丸为主，目前对非球形弹丸的碎片云研究比较缺乏，但空间环境中的碎片却以非球形为主，其中以柱形与锥形弹丸对薄板的破坏能力最大。空间碎片与航天器发生碰撞时，碎片的撞击姿态均为斜撞击，现目前研究弹丸姿态几乎均为正撞击的姿态，对不同姿态撞击的碎片云研究比较缺乏。 基于以上背景，论文将开展圆柱体弹丸在不同撞击角度下的碎片云的特征研究。借助AUTODYN-3D软件，采用SPH的数值模拟方法，通过改变圆柱体弹丸的长径比α（0.1~20.0）研究生成的碎片云的几何特征参数、特征碎片速度以及碎片分布，从而得到具有代表性的圆柱体弹丸长径比。在不同长径比的基础上，进一步考虑不同撞击角度（15°、30°、45°、60°、75°）对碎片云的几何特征参数、特征粒子速度以及碎片分布特征参数的影响。研究结果表明： （1）弹丸长径比为1时，生成的碎片数量最多。当撞击角度为60°时，碎片的膨胀范围最为广泛，危险大碎片所占比例约为99.0%，主要分布在靠近中心点5mm的环状范围内；危险碎片所占比例约为0.9%，主要分布在靠近中心点10mm内环状范围；微小碎片所占比例约为0.1%，主要分布在中心点10mm外围。 （2）弹丸的撞击姿态变化，对碎片云数量变化有影响。其中，斜撞击形成的碎片云恒大于正撞击形成的碎片云，撞击角度为60°时形成的碎片数量最多，且不随长径比的变化而变化。 （3）随着长径比的变化，弹丸的破碎程度逐渐减弱，碎片云的膨胀范围逐渐缩小，碎片云的动能逐渐增大，其中在长径比为0.5时达到极大值。 （4）随着撞击角度的变化，碎片云的轴向与径向膨胀范围逐渐缩小，且外泡碎片云轴向最远端点速度、主体碎片云的轴向最远端点速度与碎片云的最下端点处速度都呈逐渐减小的关系。当撞击角度大于45°时，碎片云的范围逐渐缩小，弹丸材料发生反溅现象愈加明显。薄板的穿孔直径随着撞击角度的增大先递减后递增，弹丸的破坏程度最大是发生在撞击角度为45°。
航天器;防护结构;超高速撞击;圆柱体弹丸;碎片云特征
西南科技大学
硕士
土木工程
刘筱玲
2021
中文
V414.1
2021-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）